Der Tod von Sternen: Rote Riesen, Weiße Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher
Je nach ihrer Größe sterben Sterne auf unterschiedliche Art und Weise. Sie können als Weiße Zwerge, Neutronensterne oder Schwarze Löcher enden. Und wann wird unsere Sonne sterben?
Schematische Darstellung der Sternentwicklung (Bild: http://www.wikipedia.de, frei)
Der Stern wird zum Roten Riesen
Die Verwandlung in einen roten Riesen ist der Anfang vom Ende eines Sterns. Ein Stern bleibt durch die Kernfusion am Leben: Wasserstoffatome werden zu Heliumatomen verschmolzen. Dies ist nur durch die enorm hohe Hitze im Innern eines Sterns möglich. Da Helium schwerer ist als Wasserstoff, sinkt es in den Kern des Sterns hinunter. Ist der Druck dort hoch genug, fängt die Umwandlung von Helium in Kohlenstoff an, welcher wieder in den Kern sinkt und dort bei genügend Druck und Hitze einen weiteren Brennofen entfachen kann.
Das bezeichnet man als Schalenbrennen: Verschiedene Fusionsprozesse finden schalenförmig im Stern statt. Dadurch wird sehr viel Energie erzeugt. Durch die Hitze, die von mehreren Brennvorgängen in den Schalen erzeugt wird, dehnt sich der Stern aus. Der Stern wird zum Roten Riesen, da er in einem dunklen Rot leuchtet und wahrhaftig riesig werden kann. Der Rote Riese Aldebaran bspw. umfasst ca. 25 Sonnendurchmesser, der Rote Riese Mira ist sogar etwa 400 mal so groß wie unsere Sonne. Aber auch Größe macht nicht unsterblich.
Die äußeren Schichten eines Roten Riesen haben eine sehr geringe Dichte und sind deswegen nur sehr schwach an die Gravitation des Sterns gebunden. Nach und nach verliert der Rote Riese seine äußere Schicht. Die abgestoßene Hülle wird zu einem planetarischen Nebel, die in den meisten Fällen sehr schön anzusehen sind. Was mit dem Stern geschieht, hängt von seiner Masse ab. Nun kann die Entwicklung ganz unterschiedliche Wege gehen.
3 Bilder ►Der Rote Riese Mira (Bild: NASA)
Weiße Zwerge und Schwarze Zwerge
Planetarische Nebel können sehr obskur anmutende und auch wunderschöne Formen annehmen, wie die Bilder zeigen. Doch trotz aller Schönheit sind sie die "sterblichen" Überreste von Sternen. Die Sterne kollabieren unter der Schwerkraft, nachdem sie ihre äußere Schicht abgestoßen haben. Die Schwerkraft drückt die Sterne, deren Masse bis zu 1,44 Sonnenmassen umfasst, zusammen zu sogenannten Weißen Zwergen. Weiße Zwerge sind Sterne mit einem sehr geringen Durchmesser, mit hoher Temperatur und aufgrund der kleinen Oberfläche geringen Leuchtkraft.
Der planetarische Nebel löst sich irgendwann auf; die Atome finden sich möglicherweise zu einem Gasnebel zusammen, der wiederum die Geburtsstätte für weitere Sterne bildet. Der Weiße Zwerg glüht langsam aus. Sie können sich das wie ein Lagerfeuer vorstellen. Wenn das Feuer erloschen ist, kann die Asche noch mehrere Stunden vor sich hinglühen. Erlöscht ein Weißer Zwerg endgültig, wird er zu einem Schwarzen Zwerg, weil er keinerlei Licht mehr aussendet.
Schwarze Zwerge sind jedoch nur hypothetisch. Nach Berechnungen von Astronomen dauert das Ausglühen von Weißen Zwergen so lange, dass das Universum mit seinen 13,6 Milliarden Jahren noch nicht alt genug ist, um Schwarze Zwerge produziert zu haben.
3 Bilder ►Eulennebel - ein planetarer Nebel (Bild: Stargazer Observatory)
2 Bilder ►Eta Carinae mit Nebeln aus abgestoßener Materie (Bild: Gemeinfrei)
Supernova
Im Jahre 1054 wurde am Himmel ein heller Lichtfleck beobachtet, der auch tagsüber zu sehen war. Damals hatte man nicht viele Erklärungen dafür parat und Tycho Brahe, ein bedeutender Astronom des 16. Jahrhunderts nannte dieses Phänomen später "Nova", was sich vom Lateinischen "stella nova", deutsch "neuer Stern", ableitet. In Wirklichkeit beobachteten die Menschen 1054 eine gewaltige Explosion. Hier entstand kein neuer Stern, sondern ein alter Stern starb und wurde zu einem Neutronenstern. Übrig geblieben ist der Krebsnebel, den wir heute beobachten können und in dessen Zentrum sich ein Neutronenstern befindet.
Eine Supernova entsteht, wenn ein sehr massereicher Stern, ein gewaltiger Roter Riese, plötzlich in sich zusammenfällt. Dabei kann dieser eine Stern kurzzeitig so hell werden wie eine ganze Galaxie. Daraus entstehen Neutronensterne oder Schwarze Löcher. Bei einer Supernova schleudert der Stern alle Elemente, die in seinem Innern entstanden sind, ins All hinaus. Möglicherweise werden wir in naher Zukunft eine Supernova beobachten können. Ein aussichtsreicher Kandidat ist der Rote Hyperriese Eta Carinae im Sternbild Schiffskiel, der bereits einen Nebel aus abgestoßener Materie um sich herum gebildet hat.
Auch der Stern Beteigeuze ist ein Kandidat für eine baldige Supernova. "Baldig" heißt nach astronomischen Maßstäben allerdings, dass es durchaus noch hundert oder gar tausend Jahre dauern kann, bis es so weit ist.
Neutronensterne
Neutronensterne sind sehr seltsame Objekte. Sie entstehen, indem die Gravitation die Atome eines Sterns derart ineinanderdrückt, dass die Elektronen in der Hülle und die Protonen im Atomkern miteinander verschmelzen und Neutronen bilden. Erst wenn diese Neutronen dicht an dicht liegen, bricht der Prozess ab.
Neutronensterne haben ein extrem starkes Magnetfeld und eine unglaublich starke Schwerkraft. Die gesamte verbliebene Masse eines Sterns ist auf ein Objekt von einer Größe von etwa 20 km zusammengepresst. Die Schwerkraft ist so stark, dass ein Objekt, das aus 1 m Höhe auf die Oberfläche eines Neutronensterns fallen würde, nur eine Mikrosekunde fallen und mit einer Geschwindigkeit von 7 Millionen km / h auftreffen würde.
Auch das Licht wird von der starken Gravitation beeinflusst: Es wird von dem Gravitationsfeld eines Neutronenstern derart abgelenkt, dass man Teile der Rückseite des Stern sehen könnte. Bedenken Sie, dass wir nichts anderes sehen als Licht, das auf unsere Netzhaut fällt. Und Licht kann von der Graviation abgelenkt werden.
Dazu kommt, dass Neutronensterne eine unvorstellbar hohe Rotationsfrequenz aufweisen: Ein Neutronenstern rotiert mehrere Male bis mehrere Hundert Mal pro Sekunde. Das ist der Pirouetteneffekt, der dadurch entsteht, dass die Masse näher an die Rotationsachse kommt. Stellen Sie sich eine Eiskunstläuferin vor, die genau das tut: Sie dreht eine Pirouette. Was tut sie? Sie zieht die Arme an den Körper und bringt ihre Masse somit näher an die Rotationsachse. Damit kann sie sich wesentlich schneller drehen. Das ist bei einem Neutronenstern im Prinzip nichts anderes.
Schwarze Löcher
Aber Neutronensterne sind nichts im Gegensatz zu den seltsamsten Objekten, die wir es im Weltraum gibt: die Schwarzen Löcher. Aber was sind diese Objekte, die in Science-Fiction-Geschichten oft als Schreckgestalten dargestellt werden?
Sterne mit mehr als acht Sonnenmassen haben eine so große Schwerkraft, dass der Komprimierungsprozess nicht mit dem Zustand eines Neutronensterns endet. Die gesamte Masse des Sterns wird zu einem einzigen Punkt komprimiert, einer sogenannten Singularität. Sie können sich vorstellen, dass die Schwerkraft eines solchen Objekts wirklich unvorstellbar groß sein muss. Und das ist sie auch. Ein Schwarzes Loch zieht jedes Objekt in seiner Nähe an sich heran und "verschlingt" es. Ganze Sterne können von einem Schwarzen Loch geradezu aufgesogen und der eigenen Masse hinzugefügt werden. Der sogenannte Ereignishorizont ist die Grenze, nach der ein Objekt schneller sein müsste als das Licht, um dem Sog des Schwarzen Lochs noch entkommen zu können. Da nichts schneller sein kann als das Licht, sind die Fluchtchancen entsprechend gering.
Aber warum werden diese Objekte als Schwarze Löcher bezeichnet? Nichts, überhaupt nichts kann hinter dem Ereignishorizont entkommen. Das gilt auch für Licht, denn auch Licht erreicht "nur" Lichtgeschwindigkeit. Aber diese Geschwindigkeit reicht nicht mehr aus. Das bedeutet, dass ein Schwarzes Loch keinerlei Licht aussendet. Es hat die Kommunikation mit der Außenwelt eingestellt.
Wir können die Existenz von Schwarzen Löchern nur indirekt nachweisen, indem wir ihre Auswirkungen auf ihre Umgebung beobachten: Licht wird "verbogen", Sterne umkreisen einen unsichtbaren Partner usw. Wir können beobachten wie Materie, z.B. Sterne oder Gasnebel, in ein Schwarzes Loch gezogen werden, aber das Schwarze Loch selbst sehen wir nicht.
Was mit der Materie geschieht, die in einem Schwarzen Loch verschwindet, weiß man natürlich nicht. Klar ist, dass die Objekte auseinandergerissen werden. Es wäre also vollkommen unmöglich mit einem Raumschiff in ein Schwarzes Loch hineinzufliegen. Eine Theorie besagt, dass die Materie durch ein Weißes Loch wieder ausgestoßen wird - diese These ist jedoch sehr umstritten, da man noch kein solches Weißes Loch entdeckt hat, und es müsste ein sehr stark leuchtender Himmelskörper sein.
"Wir sind alle Sternenstaub"
Dieser Ausspruch stammt von dem amerikanischen Kosmologen und Autor Carl Sagan und sagt genau die Wahrheit: Wie beschrieben entstehen in Sternen die Elemente bis Eisen. Wenn Riesen-Sterne ihr Lebensende erreichen, enden sie in einer gewaltigen Supernova. Dabei schleudern sie die Elemente ins All hinaus; in der gewaligen Hitze der Supernova können schließlich auch noch die schwereren Elemente entstehen, die ebenfalls ins All gelangen. Wir alle bestehen folglich aus den Resten toter Sterne - wir sind alle Sternenstaub.
Wie und wann wird unsere Sonne sterben?
Unsere Sonne ist ein sehr mittelmäßiger Stern. Deswegen ist sein Ende auch etwas unspektakulär. Das sieht man daran, dass die Grenze, an der Sterne zum Neutronenstern oder sogar zum Schwarzen Loch werden, an Sonnenmassen gemessen wird. Um ein Neutronenstern zu werden, muss ein Stern die eineinhalbfache Masse unserer Sonne aufweisen. Das bedeutet natürlich, dass unser Zentralgestirn niemals über das Stadium des Weißen Zwergs hinauskommen wird.
Die Sonne hat eine ungefähre Lebenserwartung von 10 Milliarden Jahren, wie sich aus ihrer Masse berechnen lässt. Die Hälfte hat sie ungefähr hinter sich. Jeder Leser kann beruhigt sein: Wir werden alle vor der Sonne sterben. Irgendwann (in ca. 1 Milliarden Jahren) wird die Sonne sich aufblähen und zu einem Roten Riesen werden wie oben beschrieben. Sie wird dann so groß, dass die äußere Hülle möglicherweise sogar die Erdumlaufbahn erreicht. Venus und Merkur werden auf jeden Fall von der Sonne verschlungen werden. Und selbst wenn die Erde verschont bleibt, wird die Oberfläche so heiß werden, dass unser Planet nur noch aus glühendem Gestein besteht. Die Sonne wird jedoch schon früher so heiß sein, dass kein Leben mehr auf der Erde möglich ist (in 500 Millionen Jahren).
Allerdings werden andere Planeten, die zurzeit sehr kalt sind, wesentlich wärmer werden. Die Temperatur auf Mars wird sehr stark steigen, das Eis auf dem Jupitermond Europa wird schmelzen und möglicherweise reicht die Zeit, dass sich dort einfache Lebensformen entwickeln können, bevor das Sonnensystem in Dunkelheit getaucht wird. Auf Pluto würden tropische Temperaturen herrschen, allerdings nur für kurze Zeit.
Anschließend wird die Sonne ihre Hülle abstoßen und an ihrer Stelle wird ein wunderschöner planetarer Nebel entstehen, in dessen Zentrum der Überrest der Sonne als Weißer Zwerg über Milliarden von Jahren langsam ausglühen wird, während sich der Nebel allmählich auflöst. In diesem Stadium ist die Temperatur auf allen Planeten wieder enorm gefallen, da die Überreste der Sonne kaum noch Energie abstrahlen. Auf der Erde werden dann frostige -200 °C herrschen.
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Bildquelle:
johannes flörsch
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Karin Scherbart
(Wie macht man einen Regenbogen selbst?)
